ứng dụng kỹ thuật búp sóng dùng anten mảng cho hệ thống thông tin tế bào

  • Số trang: 103 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 47 |
  • Lượt tải: 1
nhattuvisu

Đã đăng 26946 tài liệu

Mô tả:

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HÀ DUY ỨNG DỤNG KỸ THUẬT BÚP SÓNG SỬ DỤNG ANTEN MẢNG CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN TẾ BÀO Ngành: Kỹ thuật điện tử - viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử và thông tin liên lạc Mã số: 2.07.00 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Trịnh Anh Vũ Hà Nội-2008 iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ..........................................................................................................ii MỤCLỤC ................................................................................................................iii DANH MỤC HÌNH VẼ ….......................................................................................v DANH MỤC BẢNG ….……….………………………………………….........….vi THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ..………….…………………….........……………....vii MỞ ĐẦU ………….........………………………………………….........……….....1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT BÚP SÓNG …….........…..……...3 1.1 Giới thiệu………………………...………………………….........…………3 1.2 Tổng quan về kỹ thuật búp sóng ..………………………….............……..5 1.2.1. Kỹ thuật búp sóng……………………………………................…………5 1.2.2. Phân loại các kỹ thuật búp sóng…………………….........…..........……...8 1.3 Ứng dụng của kỹ thuật búp sóng……………...………................………12 1.4 Tổng kết chương ……………………………………....…..........………...15 CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT TẠO BÚP SÓNG ……………………...........……...17 2.1 Búp sóng chuyển mạch……………..…………………….…..........……...17 2.2 Búp sóng thích nghi…………………………….…………………………21 2.2.1 Hệ anten mảng tuyến tính…………….………………………………….24 2.2.2 Một bộ tạo búp sóng đơn giản……….…………………………………..27 2.2.3 Tiêu chuẩn tối ưu các trọng số…………………………………………...30 2.2.3.1 Trung bình bình phương phương sai nhỏ nhất (MMSE)……....31 2.2.3.2 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu lớn nhất (MSIR)……..................…...34 2.2.3.3 Phương sai nhiễu đầu ra nhỏ nhất (LCMV)……………..….....35 2.2.3.4 Mối liên hệ giữa các tiêu chuẩn ………………..………..……36 2.2.4 Các thuật toán thích nghi …………………..……………………..…….37 2.2.4.1 Thuật toán trung bình bình phương tối thiểu (LMS) ………….38 2.2.4.2 Nghịch đảo ma trận liên hiệp lấy mẫu nhỏ nhất (SMI) .………39 2.2.4.3 Thuật toán bình phương tối thiểu (RLS) ……………………...40 iv 2.3 Tổng kết chương…………………………………………………….…….43 CHƯƠNG 3. ƯỚC LƯỢNG HƯỚNG ĐẾN (DOA)…………………………...44 3.1 Giới thiệu …………………………...…….………………………………44 3.2 Các phương pháp ước lượng DOA truyền thống ……..………….…….46 3.2.1 Phương pháp ước lượng phổ (delay - and - sum) ………..………….…...46 3.2.2 Phương pháp phương sai nhỏ nhất của Capon ………………..….……...49 3.3 Các phương pháp ước lượng DOA dựa trên không gian con ………….51 3.3.1 Thuật toán MUSIC ………………………………………..……………..51 3.3.2 Các thuật toán MUSIC cải tiến ……………..……………………………57 3.3.2.1 Thuật toán Root-MUSIC ………….…….…………….………..57 3.3.2.2 Thuật toán Cyclic-MUSIC ……………..……………….……...58 3.3.3 Thuật toán ESPRIT ...................................................................................60 3.4 Các kỹ thuật giống nhau nhiều nhất (ML: Maximum Likelihood) …...65 3.5 Ước lượng DOA với các tín hiệu có liên quan chặt với nhau .................67 3.5.1 Các kỹ thuật làm mượt không gian ............................................................68 3.5.2 MUSIC đa chiều ........................................................................................70 3.6 Ước lượng số lượng tín hiệu đến ...............................................................71 3.7 Tổng kết chương .........................................................................................73 CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG KỸ THUẬT BÚP SÓNG SỬ DỤNG ANTEN MẢNG CHO HỆ THỐNG THÔNG TIN TẾ BÀO ............................................75 4.1 Tham số CIR ...............................................................................................76 4.2 Các chương trình mô phỏng tính toán CIR .............................................78 4.3 Các kết quả mô phỏng ...............................................................................83 4.4 Tổng kết chương .........................................................................................87 KẾT LUẬN ............................................................................................................88 TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................90 PHỤ LỤC ................................................................................................................92 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1. Anten đẳng hướng và mô hình phủ sóng………………………………...4 Hình 1-2. Anten Sector và vùng phủ sóng.................................................................4 Hình 1-3. Vùng phủ sóng của anten sử dụng kỹ thuật búp sóng...............................6 Hình 1-4. Sơ đồ khối của anten mảng M phần tử......................................................7 Hình 1-5. Mô tả kỹ thuật búp sóng chuyển mạch ………………………………….9 Hình 1-6. Mô tả kỹ thuật búp sóng thích nghi ……………………………………10 Hình 1-7. Vùng phủ với hệ anten sử dụng kỹ thuật búp sóng chuyển mạch và búp sóng thích nghi.........................................................................................10 Hình 1-8. Anten thu phát theo kỹ thuật SDMA…………………………………...13 Hình 2-1. Ma trận Butler tạo 8 búp sóng đầu ra......................................................19 Hình 2-2. Dạng búp sóng đầu ra của ma trận tạo búp Butler tại tần số 2.400 Ghz..19 Hình 2-3. Sơ đồ khối một anten mảng sử dụng kỹ thuật búp sóng thích nghi.........22 Hình 2-4. Phần mềm hệ thống anten mảng sử dụng kỹ thuật búp sóng thích nghi..24 Hình 2-5. Hệ anten mảng tuyến tính........................................................................25 Hình 2-6. Mảng hai phần tử đẳng hướng.................................................................28 Hình 2-7. Hệ thống tạo búp sóng tổng quát.............................................................30 Hình 2-8. Bộ tạo búp sóng thích nghi......................................................................31 Hình 2-9. Sơ đồ thực hiện thuật toán LMS..............................................................39 Hình 2-10. Sơ đồ thực hiện thuật toán RLS..............................................................42 Hình 3-1. Các tín hiệu đến mảng anten với các góc khác nhau ...............................45 Hình 3-2 Sơ đồ bộ tạo búp sóng cổ điển .................................................................47 Hình 3-3 So sánh chất lượng của phương pháp ước lượng phổ và phương pháp phương sai nhỏ nhất của Capon ..............................................................50 Hình 3-4. So sánh chất lượng của phương pháp phương sai nhỏ nhất của Capon và thuật toán MUSIC ....................................................................................56 Hình 3-5. Mô hình mảng anten theo thuật toán ESPRIT ……………………….…61 Hình 3-6. So sánh thuật toán MUSIC truyền thống và thuật toán MUSIC sử dụng kỹ thuật làm mượt không gian trong việc xác định DOA ............................70 vi Hình 4-1. Sử dụng kỹ thuật búp sóng tại trạm cơ sở trong hệ thống thông tin tế bào ..................................................................................................................76 Hình 4-2. Mối quan hệ giữa trạm cơ sở và trạm di động .........................................78 Hình 4-3. Mô hình xắp xếp các tế bào trong mô hình mô phỏng: (a) 19 tế bào sử dụng cùng tần số, (b) lựa chọn các tế bào khi kích thước cluster là 7, (c) lựa chọn các tế bào khi kích thước cluster là 3 ........................................79 Hình 4-4. Biểu đồ quá trình mô phỏng ....................................................................80 Hình 4-5. Vị trí các trạm cơ sở của các tế bào sử dụng cùng tần số ........................81 Hình 4-6. Cải thiện tham số CIR …………………………………………………..84 Hình 4-7. Cải thiện tham số CIR trong trường hợp tính đến hiệu ứng sigma ……..85 Hình 4-8. Cải thiện tỷ số CIR khi đồng thời sử dụng kỹ thuật búp sóng tại trạm di động và trạm cơ sở ……………………………………………………..86 DANH MỤC BẢNG Bảng 2-1. Đầu ra ma trận Butler...............................................................................19 Bảng 4-1. Chức năng của các chương trình được sử dụng ......................................78 vii THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 2G Second-Generation wireless telephone technology - mạng điện thoại di động thế hệ thứ 2 3G Third-Generation wireless telephone technology - mạng điện thoại di động thế hệ thứ 3 ABF Analog BeamForming – Kỹ thuật búp sóng tương tự ADCs Analog Digital Converter – Bộ chuyển đổi tương tự sang số AIC Akaike Information theoretic Criteria – Tiêu chuẩn lý thuyết thông tin của Akaike AWGN Additive White Gaussian Noise – Tạp âm trắng cộng BER Bit Error Rate – Tỉ lệ lỗi bit BF Beamformer – Bộ tạo búp sóng BFN BeamForming Network – Mạch định dạng búp sóng BTS Base Transceiver Station – Trạm thu phát gốc CDMA Code Division Multiple Access – Đa truy nhập phân mã CIR Carrier to Interference Ratio - Tỷ số giữa công suất tín hiệu mong muốn và tổng công suất tín hiệu giao thoa đồng kênh DAMPS Digital Advanced Mobile Phone System - Hệ thống điện thoại số DBF Digital BeamForming- Kỹ thuật búp sóng số DFT Discrete Fourier Transform – Biến đổi Fourier rời rạc DOA Direction Of Arrival – Hướng tới ESPRIT Estimate of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques Ước lượng tham số tín hiệu thông qua các kỹ thuật bất biến luân phiên FDMA Frequency Division Multiple Access - Đa truy cập phân chia theo mã FFT Fast Fourier Transform – Biến đổi Fourier nhanh GSM Global System for Mobile Communications – Hệ thống GSM viii LCMV Linearly constrained Minimum variance - Phương sai nhiễu đầu ra nhỏ nhất LMS Least Mean Squares - Trung bình bình phương tối thiểu MDL Rissanen Minimum Descriptive Length – Tiêu chuẩn MDL của Rissanen ML Maximum Likehood – Giống nhau lớn nhất MMSE Minimum Mean Square Error – Trung bình bình phương sai số nhỏ nhất MS Mobile Staion – Máy di động MSINR Maximum Signal to Interference ratio - Tỷ số tín hiệu trên nhiễu lớn nhất MUSIC MUltipe Signal Classification – Phân loại tín hiệu đa đường MVDR Minimum Variance Distortionless Response - Đáp ứng không méo phương sai nhỏ nhất OFDM Orthogonal Frequency - Division Multiplexing - đa truy nhập theo tần số trực giao RAKE Máy thu RAKE RLS Recursive Least Squares - Thuật toán bình phương tối thiểu SDMA Spatial Division Multipe Access - Đa truy nhập theo không gian SH Sequential Hypothesis – giả thuyết theo dãy SIR Signal-to-Interference Ratio – Tỉ số tín hiệu trên nhiễu SINR Signal-to-Interference plus Noise Ratio - Tỉ số tín hiệu trên nhiễu và tạp âm SMI Direct Sample Covariance Matrix- Ngịch đảo ma trận liên hiệp lấy mẫu nhỏ nhất TD-SCDMA Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access - Đa truy nhập theo mã đồng bộ phân kênh theo thời gian ix TDMA Time Division Multiple Access – Đa truy nhập phân thời gian TSL Total Least Squares Criterion - Tiêu chuẩn tổng bình phương nhỏ nhất UMTS Universal Mobile Telecommunications System – Hệ thống thông tin di động UMTS 1 Luận văn Thạc sỹ MỞ ĐẦU Các hệ thống thông tin di động tế bào ngày phát triển nhằm phục vụ cho các nhu cầu về dịch vụ ngày một lớn của khách hàng. Do vậy, các kỹ thuật, công nghệ mới cần được nghiên cứu và triển khai để đáp ứng những nhu cầu đó. Trong thời gian gần đây, hệ thống anten sử dụng kỹ thuật búp sóng dùng cho các hệ thống thông tin di động là một trong những công nghệ được quan tâm nghiên cứu rộng rãi và thu được những kết quả rất khả quan, bao gồm các thuật toán, các thử nghiệm cho đến các sản phẩm thương mại. Đến nay, các hệ thống anten sử dụng kỹ thuật này không còn là một khái niệm xa lạ như vài năm trước đây và được xem như một trong những công nghệ đầy hứa hẹn cho hệ thống thông tin di động 3G và sau 3G nhằm đáp ứng yêu mở rộng dung lượng, vùng phủ cũng như tăng chất lượng dịch vụ di động. Ngoài các phương thức đa truy nhập truyền thống như TDMA, FDMA và CDMA, với việc sử dụng kỹ thuật búp sóng cho hệ thống anten, hệ thống của chúng ta có thể hỗ trợ một phương thức đa truy nhập mới, đa truy nhập theo không gian SDMA, cho phép sử dụng tối đa mọi tài nguyên có thể của một hệ thống truy nhập vô tuyến (thời gian, tần số, mã và không gian). Nhận thấy việc ứng dụng kỹ thuật búp sóng trong các hệ thống anten có thể giải quyết rất tốt việc cải thiện dung lượng cũng như chất lượng của các hệ thống thông tin di động, nên em đã chọn đề tài: “ứng dụng kỹ thuật búp sóng sử dụng anten mảng cho hệ thống thông tin tế bào”. Đề tài được bố cục thành 4 chương, với các nội dung như sau: Chương 1: Giới thiệu tổng quan về kỹ thuật búp sóng. Chương này trình bày khái quát về kỹ thuật búp sóng, phân loại các kỹ thuật búp sóng cũng như các ứng dụng của kỹ thuật búp sóng. Chương 2: Kỹ thuật tạo búp sóng. Nghiên cứu các kỹ thuật được sử dụng để tạo búp sóng sử dụng với mảng anten, bao gồm cả búp sóng chuyển mạch và búp sóng thích nghi. Kỹ thuật tạo búp sóng chuyển mạch đơn giản hơn nhưng kém hơn về độ tăng ích cũng như chất lượng… Các thuật toán tạo búp sóng thích nghi sử dụng các Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2 2 Luận văn Thạc sỹ trọng số để có thể tạo búp sóng đầu ra theo mong muốn, do vậy tiêu chuẩn để chọn các trọng số sao cho đầu ra tối ưu cũng được nghiên cứu. Chương 3: Nghiên cứu các thuật toán ước lượng hướng đến của tín hiệu (DOA). Đây là một bước rất quan trọng trong các hệ thống anten sử dụng kỹ thuật búp sóng. Sử dụng các thuật toán ước lượng hướng đến có thể xác định chính xác hướng của thuê bao di động tại mọi thời điểm, để từ đó sử dụng các bộ tạo búp sóng để tạo các búp sóng đầu ra theo đúng hướng mong muốn. Chương 4: Ứng dụng kỹ thuật búp sóng vào hệ thống thông tin tế bào. Chương này trình bày một số kết quả mô phỏng bằng matlab để chỉ ra rằng đối với hệ thống có sử dụng kỹ thuật búp sóng sẽ cải thiện được chỉ số CIR so với các hệ thống không sử dụng kỹ thuật búp sóng. Từ đó, có thể tăng dung lượng cũng như chất lượng của hệ thống. Cuối cùng là phần kết luận đưa ra một số đánh giá dựa trên quan điểm của học viên về các kết quả đạt được trong bản luận văn. Với bố cục nội dung như vậy, luận văn về cơ bản đã nghiên cứu các khía cạnh liên quan đến công nghệ búp sóng trong hệ anten mảng. Việc nghiên cứu công nghệ này thực sự gặp rất nhiều khó khăn do liên quan tới nhiều tham số của môi trường vô tuyến, vốn là môi trường hở và có tính ngẫu nhiên, đòi hỏi hàm lượng tính toán cũng như khối lượng kiến thức cơ bản lớn. Vì vậy, tuy đã rất cố gắng thực hiện nhưng do hạn chế về thời gian cũng như trình độ, chắc chắn bản luận văn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót, học viên rất mong quý thầy cô và các bạn đọc quan tâm, đóng góp ý kiến để luận văn được hoàn thiện hơn. Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2 3 Luận văn Thạc sỹ CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT BÚP SÓNG 1.1. Giới thiệu Kỹ thuật búp sóng là một trong các kỹ thuật được nghiên cứu sử dụng trong hệ thống anten dùng trong mạng truyền thông không dây. Kỹ thuật này được phát triển từ các bộ lọc không gian đã được thiết kế trước đó nhằm mục đích lựa chọn đúng tín hiệu mong muốn trong số các tín hiệu mà nó nhận được. Các hệ thống anten ở trạm gốc sử dụng kỹ thuật này có thể lựa chọn đúng tín hiệu mong muốn, từ đó xác định được hướng đến của tín hiệu và chỉ bức xạ một búp sóng hẹp theo đúng hướng đó (thậm chí khi hướng có bị thay đổi, tức là khi người sử dụng di chuyển, búp sóng đó cũng bám theo người sử dụng) qua đó có thể giảm nhiễu giao thoa, cũng như tạo ra một số ưu điểm nổi bật khác mà luận văn sẽ trình bày trong chương này. Có hai nhân tố cần xem xét đối với đường truyền vô tuyến là: • Công suất thu • Mức tín hiệu đối với nhiễu và tạp âm (SNIR-Signal to Noise and Interference Ratio) Từ những ngày đầu của truyền thông không dây, các loại anten lưỡng cực đơn giản, phát xạ và thu cho chất lượng như nhau ở mọi hướng. Các hệ thống anten đẳng hướng này không hề biết vị trí hay phương hướng của người sử dụng nên để tìm kiếm người dùng, phần tử đơn này phát quảng bá tín hiệu theo mọi hướng, tương tự như các gợn sóng đẩy ra xa ở trong bể nước khi ta ném một hòn đá vào đó. Điều này làm cho các tín hiệu bị phân tán, không tập trung, do đó các tín hiệu này truyền tới đúng người dùng chỉ với một lượng nhỏ trong tổng năng lượng mà anten bức xạ ra trong môi trường, gây lãng phí và nhiễu cho những người sử dụng khác. Hình vẽ 1.1 dưới đây miêu tả mô hình phủ sóng của một anten đa hướng, nhìn theo hướng ngang và hướng đứng Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2 4 Luận văn Thạc sỹ Hình 1.1: Anten đẳng hướng và mô hình phủ sóng Để khắc phục sự hạn chế này, mức công suất của tín hiệu mà anten đẳng hướng bức xạ ra môi trường được tăng lên. Tuy nhiên, với số lượng người dùng lớn thì điều này gây trở ngại bởi tín hiệu có thể không đến được đúng người dùng do sự giao thoa. Hơn nữa, anten đẳng hướng cũng không thể phân tách được tín hiệu nhiễu với tín hiệu người dùng cũng như không thể hạn chế hiệu ứng đa đường, gây bất lợi về hiệu suất phổ cũng như giới hạn việc tái sử dụng tần số Khi yêu cầu phải thêm các vị trí máy phát mới, nhiều trạm anten truyền thống đã phân tách thành các tế bào (cell). Một vùng 360° được chia thành 3 vùng con 120°, mỗi một anten sector bức xạ toàn bộ công suất theo hướng của mình, các anten sector sẽ giảm lãng phí năng lượng, cũng như giảm giao thoa so với hệ thống anten đẳng hướng. Tuy nhiên vẫn gây lãng phí năng lượng và giao thoa vì trong một vùng có nhiều người sử dụng. Hình vẽ 1.2 dưới đây miêu tả mô hình phủ sóng của anten sector, nhìn theo hướng ngang và hướng đứng Hình 1.2: Anten Sector và vùng phủ sóng Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2 5 Luận văn Thạc sỹ Những công nghệ sử dụng trong điện thoại di động thường điều khiển công xuất phát để đảm bảo phía thu nhận được tín hiệu rõ ràng. Nếu như thuê bao ở xa trạm phát thì công suất được nâng lên để duy trì kết nối. Nhưng đôi khi công suất không đủ và cuộc gọi bị rơi. Còn nếu ở khoảng cách gần, công suất phát được giảm. Chất lượng của cuộc gọi phụ thuộc rất lớn vào công suất phát. Để khắc phục những hạn chế của hệ thống anten thông thường, một số kỹ thuật đã được nghiên cứu, một trong số đó là kỹ thuật búp sóng. Kỹ thuật này cho phép xác định đúng tín hiệu của người sử dụng từ các tín hiệu mà nó thu được, bao gồm cả các tín hiệu của những người sử dụng khác. 1.2.Tổng quan về kỹ thuật búp sóng 1.2.1.Kỹ thuật búp sóng Để hiểu về kỹ thuật búp sóng, ta hãy tưởng tượng về việc định hướng âm thanh của con người. Con người có hai tai để nghe (thu tín hiệu), mồm để nói (phát tín hiệu) và bộ não để suy nghĩ - định hướng (xử lý, phân tích tín hiệu). Hãy tưởng tượng bạn đang đứng ở một cánh đồng và nhắm mắt lại. Một người ở đằng xa nói với bạn. Để nghe rõ nhất người đó nói gì thì bạn phải quay về phía người đó. Bạn có thể xác định vị trí của người nói nhờ vào sự khác nhau về trễ của âm thanh mà hai tai của bạn nghe thấy. Bộ não sẽ phân tích sự khác nhau này và chỉ cho bạn chính xác hướng của nguồn âm phát ra. Như vậy bạn có thể quay đúng về hướng để bạn và người nói chuyện cùng có thể nghe rõ nhất. Lời nói của bạn phát ra đúng với hướng của nguồn âm thanh mà bạn nghe được. Một trường hợp khác, bạn đang đứng ở trong một hội trường đông người. Phía bên kia của hội trường có một người đang cố gắng nói chuyện với bạn bằng cách gọi to tên của bạn. Bạn có thể nghe được người đó nói gì vì tiếng gọi đủ lớn để bạn nghe thấy và một điều rất quan trọng là bạn nhận ra tên của mình (đó chính là mã số của bạn). Não của bạn sẽ giải mã thông tin từ một mớ những tạp âm ồn ào. Bạn quay về phía tiếng gọi và nói to để trả lời. Bằng cách này, bạn đã cộng thêm tiếng Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2 6 Luận văn Thạc sỹ ồn vào trong những âm thanh của hội trường và làm cho những cuộc hội thoại của những người khác rất khó nghe. Thật tốt cho tất cả mọi người đang nói chuyện trong hội trường nếu bạn có thể nói chuyện với bạn của mình mà không cần phải nói to. Chỉ có thể thực hiện điều này nếu người bạn của bạn được trang bị thiết bị nghe lén với độ nhạy cao cùng với micro định hướng. Khi đó bạn chỉ cần thì thầm cũng đủ cho bạn của mình nghe thấy. Hình 1.3. Vùng phủ sóng của anten sử dụng kỹ thuật búp sóng Ý tưởng của kỹ thuật búp sóng là sử dụng giản đồ anten trạm gốc không cố định, mà biểu đồ bức xạ được biến đổi phù hợp với các điều kiện truyền sóng hiện tại và có thể tạo ra các búp sóng theo ý muốn trong giản đồ anten. Bằng cách khuyếch đại độ tăng ích anten theo hướng có thông tin mong muốn, đồng thời tạo ra giản đồ với hướng phát xạ nhỏ (thậm chí tới 0) về phía vật gây nhiễu, kỹ thuật búp sóng có thể giúp tránh được tối đa những nguồn nhiễu không mong muốn, đồng thời tăng khả năng thu thông tin hữu ích, từ đó làm cho chất lượng của tuyến kết nối thông tin có thể được cải thiện một cách đáng kể, với nhiều lợi điểm khác nhau. Điều này có thể hình dung như một anten chỉ hướng búp sóng về phía thành phần được liên lạc Cũng giống như cách phân tích của bộ não về sự khác nhau giữa âm thanh thu được ở hai tai, những tín hiệu phát ra từ những máy di động đến các anten thành phần được phân tích giúp xác định hướng của nguồn tín hiệu. Trên thực tế thì các anten thành phần được phân bố tĩnh. Việc xác định được hướng của nguồn tín hiệu mong muốn là kết quả của việc tính toán tín hiệu nhận được từ tất cả các anten Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2 7 Luận văn Thạc sỹ thành phần, và không có phần nào của anten phải quay đổi hướng cả. Công việc tính toán này đòi hỏi thực hiện theo thời gian thực (realtime) để hệ thống anten này có thể xác định được hướng của tín hiệu đến, từ đó sử dụng các phép tính giúp tạo một búp sóng hẹp bám theo nguồn tín hiệu khi nó chuyển động. Việc hệ thống anten này phát tín hiệu bám theo khi nguồn tín hiệu di chuyển cũng giống như việc chiếu đèn vào các diễn viên trên sân khấu. Nếu như đèn chiếu rộng thì rất ít ánh sáng chiếu đúng vào người diễn viên. Bằng một đèn chiếu tập trung, hầu như toàn bộ ánh sáng chiếu đúng phần cần thiết, những khu vực còn lại thì tối qua đó tăng hiệu dụng công suất phát sáng, cũng như tránh chiếu ánh sáng vào những nơi cần bóng tối. Kỹ thuật búp sóng là kỹ thuật được sử dụng trong hệ thống gồm nhiều anten thành phần, gọi là anten mảng (antenna array), qua đó hướng búp sóng theo hướng mong muốn. Cấu trúc anten mảng rất đa dạng tuỳ theo từng mục đích như: kiểu tuyến tính, vòng tròn, hai chiều, khối... Cho dù hình dạng và kiến trúc khác nhau nhưng tất cả đều phải đảm bảo các điều kiện sau: • Các anten thành phần phải như nhau về mọi mặt: tính chất vật lí, kích thước, khoảng cách giữa các phần tử và biểu đồ hướng sóng của mỗi anten. • Không có sự tác động qua lại giữa các anten thành phần. • Không có sự biến đổi biên độ giữa các anten. • Tín hiệu thu được phải độc lập, có thể rời rạc hoá trên mặt phẳng sóng. Hình 1.4 Sơ đồ khối của anten mảng M phần tử Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2 8 Luận văn Thạc sỹ Hình 1.4 ở trên chỉ ra sơ đồ khối của một anten mảng, tại đây mỗi tín hiệu thu được tại các phần tử anten được xử lý, đánh trọng số từng tín hiệu sau đó kết hợp lại để tạo thành tín hiệu đầu ra theo mong muốn. Công việc tính toán phức tạp và đòi hỏi thời gian đáp ứng nhanh dẫn đến việc phải gia tăng đáng kể công việc xử lý ở tại trạm phát sóng. 1.2.2. Phân loại các kỹ thuật búp sóng Các kỹ thuật búp sóng được phân vào hai loại chính, đó là: • Búp sóng chuyển mạch (Switched beam) • Búp sóng thích nghi (Adaptived beam) Búp sóng chuyển mạch: Búp sóng chuyển mạch là một kỹ thuật đơn giản, sử dụng mảng anten trong đó các anten thành phần thu phát một cách độc lập, biểu đồ hướng anten sẽ thay đổi chuyển từ anten thành phần này sang anten thành phần khác để bám theo đối tượng khi thuê bao di chuyển. Trong kỹ thuật này, các trọng số được sử dụng trong mảng anten là cố định. Sự chuyển mạch nhằm chọn chế độ làm việc tốt nhất, thường đánh giá dưới dạng năng lượng thu vào. Tuy nhiên dung lượng hệ thống bị giới hạn vì phụ thuộc vào số lượng anten thành phần trong mảng anten, biểu đồ hướng sóng anten được xác định trước hoặc dưới dạng kết hợp (các sector). Hệ thống này tương đối đơn giản, dễ lắp đặt trong các hệ thống thông tin di động hiện nay. Tuy nhiên hệ thống này vẫn còn một số nhược điểm cần khắc phục như: dung lượng hệ thống phụ thuộc vào số lượng anten thành phần trong mạng anten… Về khía cạnh các mẫu bức xạ, búp chuyển mạch là mở rộng của phương pháp vi tế bào hiện tại hay phương pháp phân vùng tế bào của việc chia một tế bào thông thường. Phương pháp này còn chia các vùng vĩ mô thành nhiều vùng vi mô nhằm cải thiện dung lượng và phạm vi. Mỗi một vùng vi mô gồm một mẫu búp cố định được xác định trước với độ nhạy lớn nhất được đặt ở trung tâm của búp còn độ nhạy Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2 9 Luận văn Thạc sỹ thấp hơn được đặt ở các vị trí khác. Việc thiết kế hệ thống như vậy liên quan đến các phần tử anten có độ rộng búp góc phương vị hẹp, tăng ích lớn. Việc chuyển mạch giữa các búp sóng được thực hiện bằng cách thay đổi pha tín hiệu dẫn đến các phần tử anten hay thu được từ các phần tử anten. Hình 1.5 Mô tả kỹ thuật búp sóng chuyển mạch Búp sóng thích nghi Trong kỹ thuật búp sóng thích nghi, biểu đồ hướng sóng không xác định, mang tính chất động và các biểu đồ hướng sóng anten đó có thể điều chỉnh theo thời gian thực. Các trọng số được sử dụng trong kỹ thuật này được biến đổi theo một số thuật toán đặc biệt để có đầu ra của bộ tạo búp theo mong muốn. Kỹ thuật này phức tạp hơn hệ kỹ thuật búp sóng chuyển mạch tuy nhiên lại có ưu điểm hơn vì nhờ tính chất động của biểu đồ hướng sóng nên dung lượng của hệ thống có thể thay đổi một cách linh hoạt. Hình vẽ sau minh hoạ biểu đồ hướng sóng của hệ thống anten sử dụng kỹ thuật búp sóng thích nghi. Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2 10 Luận văn Thạc sỹ Hình 1.6 Mô tả kỹ thuật búp sóng thích nghi Hình 1.7 minh hoạ vùng phủ sóng tương đối giữa hệ thống anten sử dụng kỹ thuật búp sóng chuyển mạch được phân vùng truyền thống và hệ thống sử dụng kỹ thuật thích nghi. Cả hai loại hệ thống này đều có độ tăng ích đáng kể so với hệ thống phân vùng truyền thống. Mức nhiễu thấp ở phía bên trái thể hiện cho một hệ thống vô tuyến mới với các mức thâm nhập thấp hơn. Mức nhiễu lớn ở phía bên phải thể hiện cho hệ thống vô tuyến có nhiều đối tượng sử dụng hoặc một đối tượng sử dụng nhiều mẫu tái sử dụng tần số lấn nhau hơn. Khi ấy, khả năng loại nhiễu của hệ thống thích nghi sẽ cho vùng phủ sóng đáng kể hơn so với hệ thống búp sóng chuyển mạch hay truyền thống Hình 1.7 Vùng phủ với hệ anten sử dụng kỹ thuật búp sóng chuyển mạch và búp sóng thích nghi Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2 11 Luận văn Thạc sỹ Ta cũng có thể phân loại kỹ thuật búp sóng dựa theo việc xử lý tín hiệu tương tự hay số. Theo cách này ta sẽ có hai loại kỹ thuật là: • Kỹ thuật búp sóng tương tự (ABF: Analog Beamforming) • Kỹ thuật búp sóng số (DBF: Digital Beamforming) Tín hiệu thu được tại các phần tử anten trong mảng là tín hiệu tương tự, nếu bộ tạo búp sóng không sử dụng các bộ chuyển đổi tín hiệu từ tương tự sang tín hiệu số (ADCs) thì gọi là kỹ thuật búp sóng tương tự. Tuy nhiên, ngày nay với việc các bộ xử lý tín hiệu số phát triển rất nhanh, với khả năng xử lý rất cao thì thông thường các tín hiệu thu được tại các phần tử anten sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu số trước khi đi vào bộ tạo búp sóng, do vậy có thể gọi đó là kỹ thuật búp sóng số. Tạo búp sóng số là sự kết hợp giữa kỹ thuật anten và kỹ thuật số. Anten có thể được xem xét như một thiết bị chuyển tín hiệu trong miền không gian - thời gian sang miền thời gian, để chúng có thể phù hợp với nhiều kỹ thuật xử lý tín hiệu. Một anten được gọi là tối ưu nếu việc chuyển đổi những tín hiệu đến bề mặt nó không gây méo tín hiệu Nguyên tắc cơ bản của bộ tạo búp sóng số là chuyển tín hiệu tần số vô tuyến thu được tại các phần tử anten thành hai luồng tín hiệu nhị phân dải tần cơ sở được gọi là kênh I và Q. Các tín hiệu dải tần cơ sở này biểu diễn biên độ và pha của các tín hiệu thu được tại các phần tử trong mảng anten. Những luồng tín hiệu số này sẽ được điều khiển pha và biên độ bằng cách đánh trọng số cho mỗi luồng. Sau đó tất cả các luồng tín hiệu đó sẽ được cộng với nhau để tạo ra búp sóng mong muốn. Các tín hiệu tương tự thu được được chuyển đổi sang tín hiệu số một cách chính xác bằng các bộ thu có sử dụng bộ tạo phách, các bộ thu này phải phù hợp với nhau về biên độ và pha. Ưu điểm chính thu được ở bộ tạo búp sóng số là tăng độ linh động mà không làm giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR. Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2 12 Luận văn Thạc sỹ 1.3.ứng dụng của kỹ thuật búp sóng Kỹ thuật búp sóng đóng góp hai lợi ích chính đối với đường truyền vô tuyến là tối ưu hoá công xuất, giảm nhiễu đường truyền. Bởi vì các hệ thống anten có sử dụng kỹ thuật búp sóng đặc biệt hiệu quả trong việc tăng công suất tín hiệu thu được và giảm công suất phát đến ngưỡng nhỏ nhất. Bên cạnh đó, nó được sử đụng giúp tăng dung lượng đường truyền. Việc giảm đáng kể công suất phát ra chính là giảm sự can nhiễu trong một vùng phủ sóng của trạm phát (làm tăng mức tín hiệu trên tạp âm - SNIR). Kỹ thuật búp sóng thêm vào một cách mới để phân biệt những người sử dụng khác nhau, đó là thông qua không gian hay còn gọi là phương pháp đa truy cập phân chia theo không gian (SDMA: Space Division Multiple Access). SDMA nghĩa là phục vụ các cuộc gọi theo các anten định hướng búp sóng hẹp. Với kỹ thuật này thì không gian phủ sóng được sector hoá. Không gian phủ sóng sẽ được sẽ được chia ra thành các miền không gian hẹp (ví dụ như tổng không gian phủ sóng là 3600 thì được chia ra thành 3 phần, mỗi phần 1200) hay ta còn gọi là sector hoá không gian. Với kỹ thuật này sẽ giảm được hiện tượng giao thoa tần số, nhiễu đồng kênh, nhiễu đa đường, cho phép tăng dung lượng hệ thống. SDMA có thể áp dụng cho bất kỳ hệ thống thông tin di động nào. Hiện nay kỹ thuật này được sử dụng ngay tại hệ thống anten để có thể xử lí tín hiệu, chọn lọc tín hiệu và điều khiển búp sóng của chính nó sao cho phù hợp với khoảng cách của thuê bao. Kỹ thuật SDMA là một kỹ thuật được đưa ra từ lâu nhưng chưa thực sự được sử dụng trong hệ thống thông tin quảng bá mà chỉ được sử dụng cho mục đích quân sự. Nguyễn Hà Duy – K11 Đ2
- Xem thêm -